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1、编号编号 本科生毕业论文 水泥厂新型高效分级设备的研究 Research of New and High Efficient Grading Equipments for Cement Plant 学 生 姓 名 专 业无机非金属材料工程 学 号 指 导 教 师 学 院材料科学与工程 2010 年 6 月 摘摘 要要 分级机是粉体制备行业中非常重要的设备之一，通过分级除去粉体原料或 半成品中过大或过小的颗粒，控制产品的粒度在一定的范围之内，从而保证粉 体颗粒粒度分布满足产品的质量要求。第三代动态空气分级设备，也就是涡流 空气分级机，具有分级精度高、分级性能好的特点。分级机的关键技术是:分散 和
2、分级。本文对物料分散性和涡流空气分级机内流场特性二方面内容进行了实 验研究与分析。 在物料进入涡流空气分级机前增加了机械打散装置，通过机械力打散使物 料悬浮分散于气流中并输送到分级机内。以重质碳酸钙和水泥生料为原料进行 了分级实验。结果表明，在高风速范围内增加打散装置对分级粒径的影响不大， 但可以明显提高分级精度;增加打散装置后水泥生料的分级精度明显高于重质碳 酸钙的分级精度，由于颗粒粒度分布和粉体物理特性的差异，水泥生料易团聚， 表明此打散装置更适合用于易团聚物料的分级。 关键词关键词:涡流空气分级机，机械打散，激光多普勒测速仪，流场特性， ABSTRACT In the powder in
3、dustry classification is one of the most important basic operation, which makes the particle size suit to the demand of powder product.As the third- generation dynamic air classification equipment, turbo air classifier has high classification precision and good classification performance.As we know,
4、 the key technology of turbo air classifier is as follows: dispersion nd separation. In this study, mechanical dispersion of raw materials and the low field characteristics in the turbo air classifier were investigated and nalyzed. The mechanical pre-dispersion equipment was installed in a turbo air
5、 classifier before the raw materials were classified. Raw materials were suspended to disperse and conveyed into classifier by pressured airflow. The classification experiments of ground calcium carbonate and cement raw meal were made and the effect of mechanical pre-dispersion on classification per
6、formance was investigated under different operating parameters. The results show that on the high air flow rate condition the effect of different feeding manner on the classified particle cut size is unapparent and employingthe dispersing equipment classification precision is improved enormously; th
7、e result that classification precision of cement raw meal is higher than that of ground calcium carbonate demonstrates that the dispersion equipment was suit to raw materials that are agglomerated largely because cement raw meal powder is prone to be agglomerated with contrast to ground calcium carb
8、onate due to their particle size and difference nature of particles. KEY WORDS: o air classifier, mechanical dispersion, laser Dopplervelocimeter(LDV), flow field characteristics, 目录目录 摘要 ABSTRACT 第一章 绪 论.1 1.1 分级.1 1.1.1 分级的定义.1 1.1.2 分级的意义.1 1.1.3 分级的方法类型.1 1.2.分级机的发展简介.1 第二章 涡流空气分级机的分类.4 2.1 分级室回
9、转型分级机.4 2.1.1 ACUCUT 型分级机.4 2.1.2 ATP 型分级机.4 2.2 叶片回转式分级机.5 2.2.1 MPS 分级机.5 2.2.2 MSS 分级机.6 2.3 颗粒回转型(O-SEPA)选粉机.7 2.3.1 结 构.7 2.3.2 工作原理.7 第三章 涡流空气分级机的分级原理及特性.9 3.1 涡流空气分级机的分级原理.9 3.1.1 涡流空气分级机中气固两相流运动特性.9 3.1.2 物料颗粒在分级机内的受力分析.9 3.2 涡流空气分级机的特点.10 第四章 涡流空气分级机的应用.12 4.1 影响涡流空气分级机的因素.12 4.1.1 操作条件的影响.
10、12 4.1.2 结构的影响.13 4. 2 涡流空气分级机容易出现的问题 .14 4. 3 工艺使用中需注意的问题 .15 第五章 涡流空气分级机的研究方向.16 5.1 关于分散的研究.16 5.2 分级理论的研究：.16 5.3 流场模拟的研究：.17 第六章 结 论.19 参考文献.20 致 谢.22 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 分级分级 1.1.1 分级的定义分级的定义 分级是根据不同粒度、形状和密度的颗粒在流体(如空气或水)中所受的重力 和介质阻力不同，因而具有不同的沉降末速度来进行的。由于形状的复杂性， 按照形状分级目前仍处于试验研究阶段，还无法在生产中得到实际应用。因而，
11、 目前所讨论的颗粒分级皆指粒度分级，是按照不同粒径颗粒在介质(通常采用空 气和水)中受到离心力、重力、惯性力等作用，产生不同的运动轨迹，从而实现 不同粒径颗粒的分级。 分级的关键技术是:分散和分离。分散是指进入分级机的物料要尽可能地分 散开来，物料颗粒之间形成一定的空间距离。分离是指当物料在分级室停留的 有限时间内，在气流作用下完成分级功能，把物料的粗、细颗粒分开，并送至 各自的出口。 1.1.2 分级的意义分级的意义 分级一方面能提高生料，煤以及熟料的粉碎效率，降低能耗及时的将合格 的产品选出来，减轻过粉磨现象 和微细颗粒在粉末中的团聚现象；另一方面确 保产品的细度和颗粒分布。研究水泥厂的高
12、效分级设备具有很高的现实价值， 对水泥厂的节能减耗有着重要的意义。 1.1.3 分级的方法类型分级的方法类型 常见分级方法有：手选、筛选和流体分选。 手选是指：利用人工对粉碎产品进行挑选，常用于处理产品中的个别大 块物料，分级效率低； .筛选是指：用工艺要求尺寸的筛网，对粉碎产品分批进行滑动、振动或 回转过筛，分成大、小或粗、细两部分或不同粒径范围的几部分； .流体分选是指：利用颗粒在气体或液体中的阻力、惯性力、浮力、离心 力等将粉碎产品按要求的粒径分开的过程。 目前在水泥生产中有干法分级和湿法分级两种，常见的是干法分级，就是 利用流动的空气对粉磨产品进行分级。 1.2.分级机的发展简介分级机
13、的发展简介 用于水泥行业的动态分级机自问世以来, 已有 110 余年的历史, 它随着圈 流粉磨系统的发展而不断进步, 即以 Gayco 型和 Sturtevant 型为代表, 空气 在内部循环, 利用物料颗粒的惯性、所受空气阻力和自身重力不同进行分级的 第一代普通离心式分级机和以 Wedag 型为代表, 空气在外部循环的第二代旋风 式分级机之后, 现在已发展到分级机理与以前不同的以 O - Sepa 型为代表的 第三代高效分级机, 其分级效率和精度已有很大提高,利于增产节能。 空气分级机按是否具有运动部件可划分为两大类，静态分级机:分级机中 无运动部件，如重力分级机、惯性分级机、旋风分离器、螺
14、旋线式气流分级机 和射流分级机等。这类分级机构造简单，不需动力，运行成本低。操作及维护 较方便，但分级精度不高，不适于精密分级。动态分级机:分级机中具有运动 部件，为得到较为稳定的分级力场，通常采用二种方法:一是利用颗粒本身的重 力与颗粒所受到的气体阻力形成分级力场对物料进行分级;另一种做法是在分级 区内建立较强的离心力场，使颗粒在受到气体阻力的同时，还受到离心力的作 用，通过二者之间的平衡来达到分级物料的目的。前者因采用重力场进行分级， 分级力场强度较弱，不能得到较好的分级效果;后者的分级力场强度大且可调， 可得到更小的切割粒径及更好的分级效果，因此在高效率的分级设备中常采用 该方式，此种分
15、级设备称为强制涡离心分级机 自 1885 年英国人发明第一台动态空气分级机以来，分级技术有了很大的发 展。其发展历程就其工作原理而言，可概括为三个阶段。第一阶段为以离心分 级原理设计的离心式分级机，又称内部循环式分级机，其代表为德国普费佛 （Pfeiffer）公司生产的离心式空气分级机。后来虽几经改进，但在分级原理及 结构上没有重大突破，通称为第一代分级机。 第二阶段为旋风式分级机，又称外部循环式分级机，是由德国洪堡维格 达(Humboldt.Vedag)公司在 20 世纪 60 年代发明的，较离心式分级机分级性能有 了较大的提高，称为第二代分级机。 第三阶段为涡流式分级机，涡流空气分级机结构
16、和分级原理与离心式分级 机、旋风式分级机完全不同，具有分级效率高、节能的特点，故称为第三代分 级机降。它保留了旋风选粉机物料分散和机外风机循环气流机内分级的优点， 增加了机内笼型转子分级和机外以袋收尘器滤袋过滤为主的细粉收集装置，从 而改变了机内选粉原理，并大幅度的提高了选粉机的处理能力、选粉效率和细 粉收集能力。它大量地利用机外冷空气，降低机内物料温度，可将出磨高浓度 含尘气体或其它辅助设备排放的含尘气体直接引入选粉机，简化了粉磨系统， 也有利于磨内风速的提高，降低粉磨电耗，增加磨机产量。 我国于 1986 年从日本小野田公司引进了 OSepa 分级机的设计与制造技术。 20 世纪 90 年
17、代初，一些地方设计院所应用这一技术原理及推出的技术数据， 借鉴国外的外型结构资料，开发了无耐磨材料的小型涡流空气分级机。 目前，在工业上应用的几种主要干式精细分级机是:日本细川公司的 MS、MSS 型气流分级机及其类似设备、德国 ALPINE 公司的 ATP 单轮或多轮 涡轮式分级机以及 LHB 型涡轮式分级机。这些干式精细分级机基本上都是与相 应的机械冲击式超细粉磨机或气流磨配套使用的，其分级粒径可以在较大的范 围内进行调节，其中 MS 型及其类似设备的分级产品细度可达 d97=10m 左右， MSS 和 ATP 型及其类似分级机的分级产品细度可达 d97=56m 左右。依据分 级机规格或尺
18、寸的不同，单机处理能力从每小时几十公斤至十吨左右不等。 第二章第二章 涡流空气分级机的分类涡流空气分级机的分类 涡流空气分级机采用水平涡流作为颗粒分散和分级手段，然后采用高速旋 转的笼形转子分选。根据自身特点有如表 11 所示分类。 表 11 涡流空气分级机的分类及性能 涡流空气分级机分类形式分级粒径/m处理能力/(kg/h) Acucut 式0.5600.52000 TC 式0.5301050分级室回转型 ATP 式215025000 MPS2.560206000 叶片回转型 MSS15051500 颗粒回转型OSepa 式1051500 2.1 分级室回转型分级机分级室回转型分级机 2.1
19、.1 ACUCUT 型分级机型分级机 该分级机最早由美国 DONALDSON 公司开发生产的，迄今有 20 年的历史。 结构及原理如图 1 所示。其中:中间部分为分级转子，转子外侧是固定壁，上下 盖板将分级室密封。转轴上段空心轴作为细粉出口，下段实心轴装有皮带轮， 由电机带动旋转，转子由上下转盘和叶片构成，转子旋转形成离心力场同时在 空心部分产生负压区，使气流随着转子旋转，并沿径向流向空心轴部，由此构 成离心力场与压力场共同作用的流体流动。分级室内颗粒受到流体夹带的作用， 若颗粒受到径向夹带力大于离心力，则颗粒通过细粉出口排出，粗粉由切向出 口排出。该机的特点是分级精度高，切割粒径可小于 1m
20、，分级粒径通过调整 转子转速来实现。最大处理量达 1t/h。此种分级的切割粒径为 0.560m，分级 精度 d75/d25为 1.31.7，转子转速为 5000-7000r/min，粉体处理量为 0.5 2000kg/h。 2.1.2 ATP 型分级机型分级机 该机由德国 Alpine 公司研制生产，为一种叶轮转子式分级机。分级叶轮水 平安装于分级机顶部。被分级的物料先经过预选区，使颗粒完全分散;然后再通 过分级轮分选。故由该分级机得到的产品收率比其它同类产品高得多。该机通 常与流化床式气流磨或轮碾粉碎机等联合使用，为了克服叶轮转速太高所导致 的生产能力下降问题，可将多个小直径分级叶轮并联。水
21、平安装于分级机或粉 碎机顶部，以提高生产能力并确保获得较细产品。该分级机的结构如图 2 所示 图 1 ACUCUT 型分级机 图 2 ATP 型分级机 2.2 叶片回转式分级机叶片回转式分级机 2.2.1 MPS 分级机分级机 如图 3 所示，该机由给料管、调节管、调节环、分级涡轮及传动装置、闭 风器、中间桶体和下锥体组成。它利用离心力场进行分级，当工作介质夹着颗 粒进入分级室后，颗粒受到涡轮叶片离心力以及空气阻力、重力等三维力场作 用，在该力场中，通过调节涡轮转速、系统风量等参数来调整其分级点，从而 实现微细物料与粗物料的分级。该型机的特点是:分级物料范围广，在 214m 之间任意调整分级点
22、;适合于纤维状、薄片状、球状、似球状、块状、管状等各 种干法微细分级;分级精度高，产品粒度分布狭窄，可与各种干式分级设备配套 使用。 1转轴;2细粉出口;3分级叶轮;4圆柱型壳体:5气流分布锥; 6二次气流入口;7可调管;8给料管;9粗粒出口 图 3 MPS 型分级机 1 下部锥体, 2 风栅叶片, 3 分级室, 4 分级转子, 5 给料阀, 6 轴, 7 细粉出口。8 三次风进口,9 二次风进口,10 调隙锥,11 粗粉出口 图 4 MSS 型分级机 2.2.2 MSS 分级机分级机 MSS 分级机如图 4 所示，是一种具有切割粒径小至 lm 的精密分级机，在 原料和一次空气切向进入上部分级
23、区之后，空气及细粉经过圆锥台形导向板和 细颗粒出口进入过滤器，粗颗粒通过一个导向叶片被由分级区底部切向导入的 二次空气分散。三次空气可强化分级机对被分级物料的分散和分级作用，使分 散和分级作用反复进行，因而有助于提高分级精度和分级效率。这种分级机特 点是:分级粒度细，可在 12m 范围内进行分级;分级精度高，粒度分布窄;分级 粒度范围在 230m。其分级处理能力为 501500kg/h，空气量为 15150m3/min，转子转速为 8002300r/min，在高的转子转速下可使 d97 Fu，迫使其随气流 流向转笼中心，并经出风口排出机内，经集料器收集。对于粗颗粒，FrFu，迫 使其背离转笼中
24、心运动，一边旋转一边下降落入底部的锥形粗料收集锥内排出， 从而完成颗粒的分离分级。 在作了如下三条假设后，(1)颗粒切向速度与转笼叶片圆周速度相同;(2)颗粒 径向速度为零;(3)颗粒为球形等，研究者结合试验推导出了适用于涡流式空气分 级机的理论切割粒径公式，更有研究者将分级机结构的细节因素都考虑在内。 总之，这些理论成果为进一步提高分级的性能奠定了良好的基础。 )( 3 )( 9 22 50 pp h Q rhr Q d hRn Q d p .)2.( .10537 . 6 3 5 3 4 3 2 5 50 222 50 )(2 9 Rnhzb Q d p 2 1 2 1 22 50 ) 2
25、 2 ( )cos4( 18 z R Rl Q K gRn d p 5.3 流场模拟的研究：流场模拟的研究： 涡流空气分级机中，环形区(转笼外边缘和导风叶片内边缘之间的环形空间) 的流场可以借助于传统的流体测量仪器检测，而转笼叶片间的流场分布，五孔 球形测针和热线风速仪都无法测量。目前，对这部分流场的研究主要是采用 PHOENICS 等软件，对这部分区域的流场进行数值模拟。 孙国刚等人用智能型五孔球形测针测量了涡轮式分级机的流场，结果得出 涡轮式分级机内是一种复杂的多区旋转流场，分级轮附近气流旋转速度比分级 轮外缘的旋转线速度低许多，进入分级轮的径向速度非常不均匀。根据实测的 流场结果，取分级
26、圆半径略大于分级轮外缘半径，可得到与实验值较一致的切 割粒径。 徐政等人对影响分级机的主要工艺因素涡轮转速和风量对叶片间流场的影 响进行了数值模拟研究，并研究了流场对涡轮式分级机分级性能的影响。结果 得出转速增加，叶片间流场涡流化程度增大，不利于粉体的精细分级;但另一方 面，叶轮转速增加使叶片间颗粒所受的离心力增大，分级粒径降低。因此，需 要综合考虑转速对分级性能的影响，而不是简单地增加转速以达到超细分级的 目的。 黎国华等研究了涡轮分级机内腔流场，针对 FW 1 SO 型强制涡卧式涡轮分 级机的内腔流场，利用最新的计算流体动力学(CFD)技术，建立起分级机叶片间 的三维旋转流场模型，分别进行
27、了叶片形状为直型和带后弯导板型时的数值模 拟计算。结果表明，当采用后弯导板的叶片形状时，混合气流通过两叶片间流 场会产生一种正方向的涡旋，它以抵消使用直叶片时由于涡轮高速旋转而不能 克服的附加反方向涡旋，从而使流场更加稳定，容易形成整流。为开发适合微 米级的高效精密分级机提供了一定的理论依据。 刘家祥等依据湍流基本概念和涡频谱基本理论，讨论了涡流空气分级机内 不同频率、不同尺度的湍流涡对物料分散和分级精度的影响，提出高频脉动的 小尺寸湍涡有利于团聚体解聚、粉料的分散，能提高物料分级精度和分级效率。 第六章第六章 结结 论论 涡流空气分级机是矿物加工、建材(如水泥)、化工、粮食加工、食品、医 药
28、等行业干法粉体制备系统中最为重要的设备之一。分级机性能的好坏，不但 决定着产品质量，同时也明显影响着系统能耗。当前各行各业对粉料的要求越 来越高，因而对分级设备提出了更高的要求，不仅要求节能和分级效率高，而 且要求成品的颗粒级别满足特定的要求。 涡流空气分级机作为第三代分级机，它比之前两代的分级机不仅在分级机 理上有了重大的突破并且在结构上也有了长足的进步。分级精度大大提高，分 级范围可调性变大，占地空间变小，耗电量减少，在分级机领域里已经达到了 一个高峰。然而涡流空气分级机不是完美无缺的，在很多地方乃需要改进提高。 本文论述了涡流空气分级机在实际使用中的不足之处，并相应的提出了解决的 方法。
29、由于涡流空气分级机结果复杂，流场运动复杂，目前对其分级机理和流 场特性的研究还不是十分的清楚，所以涡流空气分级机在实际的应用中还有很 多的限制。涡流空气分级机与离心式或旋风式选粉机相比，在结构和系统配置 上有很大差别，且技术要求较高。涡流分级系统是集选粉与除尘于一体，它的 细粉(成品)是依靠一、一级除尘设备收集，产量的高低很大程度取决于除尘设 备的效果。因此，只有系统配置合理，除尘设备选型正确，才能取得理想效果。 参考文献参考文献 1 江旭昌. 高效选粉机Z . 国家建材局技术情报研究所,1993. 1213. 2 刘家祥,徐德龙. 选粉机技术综述J . 西安建筑科技大学学报,1996 , (
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